每日一题[441]以直代曲

这是我在QQ群中国数学解题研究会中看到的一道试题:

求证:${\rm e}^x-\ln x > 2.3$.


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   设函数$f(x)={\rm e}^x-\ln x$,则$f(x)$的导函数$$f'(x)={\rm e}^x-\dfrac 1x,x>0,$$因此方程${\rm e}^x-\dfrac 1x=0$的解为函数$f(x)$的极小值点,可以估计出极小值点约为$0.5$.

方法一    以直代曲

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取$y={\rm e}^x$在$x=0.5$处的切线,有$${\rm e}^x\geqslant {\rm e}^{0.5}(x-0.5)+{\rm e}^{0.5}={\rm e}^{0.5}x+0.5\cdot{\rm e}^{0.5},$$取$y=\ln x$斜率为${\rm e}^{0.5}$的切线,切点横坐标为${\rm e}^{-0.5}$,于是有$$\ln x\leqslant {\rm e}^{0.5}(x-{\rm e}^{-0.5})-0.5={\rm e}^{0.5}x-1.5,$$因此$${\rm e}^x-\ln x\geqslant 0.5\cdot {\rm e}^{0.5}+1.5.$$

由于${\rm e}>2.56$,于是${\rm e}^{0.5}>1.6$,从而$${\rm e}^{0.5}+1.5>2.3.$$

事实上,这个极小值的近似值约为$2.33037$,我们得到的下界约为$2.32436$,两者只相差约$0.006$,已经相当精确了.

方法二    极值点估计

虽然无法直接求出极小值点,但是可以利用求极值点的方程进行估计(by 呼市学大张老师).

显然方程${\rm e}^x-\dfrac  1x=0$的解唯一,设为$m$,则$${\rm e}^m= \dfrac 1m,\ln m=-m,$$从而$f(x)$的极小值,亦为最小值为$$f(m)={\rm e}^m-\ln m=\dfrac 1m+m.$$当$x\in (0,1)$时,有$\ln x>\dfrac 12\left(x-\dfrac 1x\right)$,于是$$m=-\ln m<-\dfrac 12\left(m-\dfrac 1m\right),$$从而$0<m<\dfrac{1}{\sqrt 3}$,因此$$f(m)=\dfrac 1m+m>\sqrt 3+\dfrac{1}{\sqrt 3}>2.3.$$

    该极值点即欧米加常数$\Omega$(Omega constant,$\approx 0.5671$),是超越方程$x{\rm e}^x=1$的实数解,满足$$\Omega+\ln \Omega=0,\Omega=u^{u^{u^{\cdots }}},$$其中$u=\dfrac 1{\rm e}$,被称为在指数函数中的黄金比例.参见百度词条“欧米加常数”.

最后附上2016年东三省高三数学联考压轴题的最后一问作为练习:

证明:当$x>0$时,${\rm e}^x+(1-{\rm e})x-x\ln x-1\geqslant 0$.

提示    取函数$y=\dfrac{{\rm e}^x-1}{x}$和$y=\ln x$在$x=1$处的切线.

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